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1、 考虑与结构共同作用的模板支撑立杆施工阶段分析重庆大学硕士学位论文(学术学位)学生姓名：李登强指导教师：华建民副教授专业：土木工程学科门类：工学重庆大学土木工程学院二一四年五月 Research on Poles of FormworkSupport System Interacted with Structureduring Construction StageAThesis Submitted to Chongqing Universityin Partial Fulfillment of the Requirement for theMasters Degree of Engineeri
2、ngByLi DengqiangSupervised by Ass. Prof. Hua JianminMajor：Civil EngineeringCollege of Civil Engineering ofChongqing University, Chongqing, ChinaMay, 2014 中文摘要摘要随着经济的不断发展，城市发展越来越快，建筑施工技术不断创新，建筑的施工周期也越来越短，施工周期一般达到 5天或 7天一层。由于施工速度的加快和混凝土材料的时变特性，模板支撑体系的设计和搭设变得也越来越受重视。因为混凝土材料早期强度低，当受到较大的力作用时会产生裂缝甚至垮塌，造成安
3、全事故。因此对于模板支撑体系的受力研究具有特别重要的意义。现在建筑施工中多用到多层模板支撑系统，最常见的就是三抬一模板支撑体系。越来越多的研究发现，模板支撑体系不是一个单独的系统，而是和结构共同作用的支撑系统。与结构共同作用的模板支撑作为整个大支撑体系的一部分，参与时变结构的应力重分布过程。新浇混凝土没有任何强度，只能作为荷载施工于模板支撑体系之上，此时模板支撑体系中其他混凝土结构的龄期低承载能力弱，便有可能导致下层模板支撑立杆受力较大，对整个模板支撑体系的安全形成威胁。本文针对施工期混凝土材料的时变特性，对与结构共同作用的模板支撑架立杆利用 MIDAS Gen有限元软件进行了施工阶段分析。根
4、据建筑底层是否在模板搭设之初便搭设了支撑，将对模板支撑立杆的分析分为底层开始无支撑的完全卸载模型和底层有支撑的完全不卸载模型。并针对施工周期的变化、梁柱截面尺寸的变化、梁跨度的变化进行了 420个模型的分析，得到了支撑架立杆施工期间的轴力变化规律。根据对计算模型分析结果数据的总结和分析，发现施工周期在 5天、7天和10天间变化时，施工周期越长，模板支撑架立杆间轴力越均匀，但施工周期对模板支撑架立杆的最大轴力的影响并不明显。随着梁柱截面的增加，由于柱的竖向变形减小，梁的竖向挠度减小，模板支撑架立杆的竖向应变减小，受到的最大轴力减小。梁跨度增加，由于力向柱传递的路径增加，在整个支撑体系发生应力重分
5、布时中部立杆受到的荷载增加，通过到 420个模型中所有立杆受力的观察，发现梁下中部 1/2跨度范围内立杆都比按脚手架规范计算立杆轴力大。并发现在一定的跨高比范围内，模型计算的模板支撑立杆的最大轴力与按脚手架规范计算的轴力比值基本固定。并依据模型的分析结果对今后模板支撑的设计和搭设提出建议。关键词：共同作用，施工阶段，模板支撑体系，施工周期I 重庆大学硕士学位论文II 英文摘要ABSTRACTWith the development of economy, increasingly rapid urban development, innovativeconstruction technolog
6、y, building construction cycle is becoming shorter and shorter,the construction period is normally 5 days or 7 days. Due to the construction of fasterand time-varying characteristics of concrete materials, the design and erection offormwork support system gets more and more attention. Because of the
7、 low initialstrength of concrete, when the formwork support system subjected to a greater force itwill crack or even collapse, causing accidents. Researching the force of formworksupport system is particular significance.Now multi-layer formwork supporting system is often used in building constructi
8、on,the three formwork support system is most used in common. An increasing number ofstudies show formwork supporting system is not a single system, but a comprehensivesupporting system working with structure. Template interaction with the structure aspart of the comprehensive support system, involve
9、d in stress redistribution process oftime-varying structure. Newly poured concrete without any strength, but only asconstruction load on the support system. As the low bearing capacity of early-ageconcrete, it likely to lead to support pole high pressure, and a threat to the supportsystem security.T
10、he supporting poles were analyzed in this paper based on interaction with structureand time-varying characteristics of the concrete in construction using MIDAS Gen FEMsoftware for analysis of construction stages. Depending on whether support erect on theground or not, the analysis of formwork suppor
11、t pole divided into two kinds of model,completely unload model without support and completely load model with support. Andchanges in the construction cycle, beam section dimensions, beam span of 420 modelshave been analyzed, and the pole axial force variation during construction wasdiscovered.Based
12、on summary and analysis of the computational models resulting data, foundthat in construction period of 5 days, 7 days and 10 days changes, the longerconstruction period, formwork supporting frame pole axial force more evenly and theeffect of construction period on the maximum axial force of pole is
13、 not obvious. Withthe increase in beam and column section, the pole vertical strain and the maximum axialIII 重庆大学硕士学位论文force decrease. Beam spans increase, due to increased pass paths to the column, whenthe stress redistribution occurs in the entire support system and load increases to thecentral po
14、le, through to 420 all vertical poles in the model force observation, foundone-second span beam following central pole is larger than the calculated on a scaffoldstandard pole axial forces. And found that in certain cross-ratio range, the ratio betweenpoles calculates maximum axial force and scaffol
15、d specifications constant. And on thebasis of model results to make recommendations for future design and erection offormwork support.Keywords: Interaction, Construction Stage, Formwork Support System, ConstructionCycleIV 目录目录中文摘要.I英文摘要. III1绪论.11.1课题研究的工程背景.11.1.1模板支撑系统的应用概况.11.1.2模板支撑体系存在的问题.21.1.
16、3对模板支撑体系研究的意义.21.2国内外研究现状.41.2.1模板支撑倒塌的原因.41.2.2模板支撑体系分析模型. 51.2.3早龄期混凝土时变特性. 61.2.4模板支撑体系实测研究. 71.3本文研究目的和意义. 82模板支撑体系理论概述.92.1多层模板支撑体系理论分析.92.1.1弹性支撑连续梁模型(CBSS).92.1.2多层模板支撑体系的弹性板理论求解. 122.2模板支撑架主要计算方法. 192.2.1概率极限状态设计法.192.2.2参考格构柱、钢框架整体失稳的计算方法. 202.2.3有侧移刚架法. 222.2.4等代柱法. 222.2.5欧拉稳定理论和其他国家分析方法.
17、232.3本章小结.253多层钢筋混凝土模板支撑体系受力性能影响因素分析.273.1混凝土龄期的影响.273.1.1早龄期混凝土基本力学试验. 273.2模板支撑体系刚度变化的影响. 343.3其他因素对模板支撑架受力的影响. 363.4本章小结.374模板支撑体系有限元分析.38V 重庆大学硕士学位论文4.1 MIDAS Gen施工阶段分析基本理论.384.1.1 MIDAS Gen软件介绍. 384.1.2 MIDAS Gen施工阶段分析介绍. 384.2支撑体系施工阶段分析.414.2.1分析模型. 424.2.2分析步骤. 434.2.3分析结果. 474.3本章小结.615结论与展望
18、.635.1结论.635.1.1建议. 635.2展望.63致谢. 65参考文献. 67VI 1绪论1绪论1.1课题研究的工程背景1.1.1模板支撑系统的应用概况21世纪我国经济进入了快速发展时代，城市的发展也越来越快。特别是近些年来城镇化进程的加快为建筑行业带来了的蓬勃发展的春天，城市建设加快发展，城市规模不断扩大，涌现了大量的高层及超高层建筑。在多层钢筋混凝土结构施工过程中，要让每层混凝土强度达到设计强度再浇筑上层混凝土是工期不允许的，不经济的。要使多层混凝土强度还未达到设计强度就浇筑上层混凝土，便是多层模板支撑系统发展的最根本需求，并使多层模板支撑系统成为施工中普遍采用的方法。在混凝土结
19、构建造过程中，模板工程作为一个主要的分项工程，其一次性投资及租赁费用将近占到了主体施工费用的三分之一，对于施工造价占到了比较大的比重。而支撑系统与模板工程相配套，如何合理选择模板支撑系统方案便影响到整个项目的施工成本。1对于支撑系统的发展，早期应用得比较多的是以木材或竹材料为主的支撑，到了二十世纪初，便发展成利用钢管与连接件组合而成的钢管支撑，并率先在英国应用，并以扣件式钢管支撑逐步应用到其他国家，这种扣件式钢管支撑具有拆装灵活、加工简便、通用性强等优点，直到现在扣件式钢管支撑体系占到了整个支撑体系使用量的百分之七十。二十世纪三十年代，在瑞士出现了一种单管式的2可调钢支柱，其通过可调螺管装置来
20、调节钢支柱的高度，形式简单，组拆方便，之后在其他国家也得到了比较普通的应用。二十世纪五十年代，美国研制出了另一种具有使用安全，承载力好等优点的门式支撑。每两组组合到一起，便具有很好的承载能力，所以发展速度也很快。之后被引进到法国、德国等国家，并在门式基本之上开发了梯形、四边形和三角形等模板支撑体系。门式支撑在欧洲和日本应用最为广泛，将近占到了所有支撑的一半。在我国，门式支撑主要应用于装饰装修、大型建筑物有桥梁结构。六十年代以来，钢管支撑的形式又有了新的发展，有了承插式和碗扣式两类钢管支撑新形式，其基本形式虽与扣件式钢管支撑相同，但因有相应的格式，搭设和拆卸都更加方便，于是得到了大量的应用。碗扣
21、式钢管支撑以承载力高，对架子工技术要求相对较低，搭设规范，在我国应用较为广泛，主要应用于桥梁工程。目前，我国常用的钢管支撑体系主要有以下几类：门式钢管支撑体系、碗扣式钢管支撑体系、承插式钢管支撑体系及扣件式钢管支撑体系。其中扣件式钢管1 重庆大学硕士学位论文支撑体系以通用性强、性价比高、施工方便在房屋建设工程项目中应用最为广泛，因此也是本文讨论的对象。1.1.2模板支撑体系存在的问题随着小康生活的全面普及，人们的生活水平不断提高，这就驱使人们对居住空间的要求越来越高：建筑物跨度越来越大，高度越来越高，结构形式越来越复杂，于是对建设设计施工技术要求越来越高。建设单位为了建设资金能够快速流转缩短投
22、资周期，便要求施工单位加快施工速度，严格控制施工进度。目前标准层施工周期一般为 10天或 7天，更短的能做到 5天甚至 3天，这就使得施工单位在本层混凝土还没有达到设计强度时就不得不在其上进行搭设模板浇筑混凝土。为确保工程进度，现在施工企业所普遍采取的措施便是采用多层模板支撑体系。利用多层模板支撑体系临时将荷载向下传递，保证结构安全。另外，随着施工技术的不断发展，超高超长超重的特殊混凝土结构也得到了快速的发展，但这些特殊的混凝土结构在工程进度的要求之下对模板支撑体系提出了更高的要求，原来的施工经验已经难以保证施工质量和安全。目前，模板支撑体系理论主要存在以下三点问题：3目前我国的混凝土结构设计
23、规范和模板技术规范尚未对施工期混凝土结构及模板支撑的共同受力分析提供建议或思路，施工期早龄期混凝土结构与模板支撑体系共同受力还未研究清楚。虽然各地根据自身情况制定相应规程，但缺乏全国统一的安全度标准，对模板支撑设计施工指导有限。计算模型假定与工程实际情况相差较大，目前的计算模型还不能准确反映施工期混凝土与模板支撑架协同受力特性，计算模型假定与实际情况差距体现在：假定楼板构件为刚性，楼板的竖向刚度相对于支撑体系的竖向刚度相可以忽略。而实际情况却是当混凝土龄期只有 5天或更小时，混凝土的强度刚度发展都不充分，楼板构件并不能作为刚性构件考虑。楼板构件通过支撑连接，在自重和施工荷载作用下，假定楼板构件
24、按各自刚度比分担荷载，并且各楼板挠度一致。而在实际情况中，模板、支撑与主体结构作为一个支撑体系，并且由于混凝土龄期的变化，整个支撑体系不断地发生着应力重分布，加上施工过程和施工方法的随意性，各楼板挠度并不一致。相关脚手架设计规范和模板设计规范对模板支撑体系的设计还不全面。对于跨度大、高度高、荷载重楼面工程中的支撑架还没有相应有效的指导。1.1.3对模板支撑体系研究的意义研究模板支撑体系具有保证施工生产安全、提高工程经济效益、推动行业发展的重要意义。在现浇混凝土结构施工过程中，模板支撑体系作为一个临时的受力结构承受着新浇筑混凝土的自重及多种施工荷载，并将荷载向下逐层传递给具2 1绪论有一定承载能
25、力的多层楼板上，通过与结构共同作用完成承担荷载的任务。由于施工周期短，与支撑体系共同作用的楼板混凝土仍处在养护期，还没有达到设计强度，承载能力不足。加上模板支撑设计理论不完善、一些施工过程中的自身缺陷、施工荷载具有很大的不确定性，极端情况下便会导致实际荷载大于模板支撑体系的最大承载能力，轻则引起结构质量事故，重则造成整个结构垮塌危及施工人员生命财产安全。根据各种工程事故发生相关报道和统计资料，工程事故基本发生在建造期间，正常使用期间鲜有事故发生。施工期间的安全性能低于正常使用期间的安全性4，根据统计施工期间发生工程事故的概率，在美国约为 57%，俄罗斯约为 70%，90年代之前我国施工期间发生
26、工程事故则更为突出，此概率则为83%，虽然此后随着建设部对此的重视，工程事故明显减少，但仍有 78%的工程事故发生在施工期间5。表 1.1为近几年来伤亡比较大的模板支撑体系的坍塌事故。表 1.1模板支撑系统坍塌事故Tab1.1 Conflagration of formwork support system项目名称事故时间事故原因伤亡人数福清市镜洋镇某厂房2013.6浇筑屋面砼时模板支撑垮塌4死，5伤襄阳市金南漳国际大酒店山西柳林县鑫飞集团工地大连旅顺口区蓝湾三期衡阳市中心汽车站2013.112012.102011.102011.9模板支撑体系整体坍塌7死楼面混凝土模板坍塌地下一层混凝土模板倒
27、塌模板支撑系统失稳倒塌模板支撑整体倒塌3死12死，4伤1死，9伤6死，5伤鄂尔多斯乌审旗第二实验小2011.5学云南新机场2010.22007.52005.92005.4模板支撑体系失稳垮塌桥面施工时，支撑架倒塌浇注楼板时支架失稳5死，10伤3死，1伤8死，10伤2死，4伤广州市番禺区黄埔大桥北京西单西西丁程上海奉贤青村镇某厂房大梁施工时，支撑架倒塌在建筑建造过程当中，在满足安全的前提下应该追求经济利益的最大化。而现浇混凝土结构模板工程的造价占到了混凝土结构工程总造价的三分之一左右，3 重庆大学硕士学位论文且模板工程的工时也将近占到了整个主体施工结构施工的二分之一。如何控制工程成本追求经济，则
28、模板工程的设计也起到了重要的作用，而模板工程里支撑体系的研究设计便显得尤为重要。因此，要不断地进行模板支撑体系的研究，开发新的模板支撑体系、新的施工技术和新的计算方法。研究清楚模板支撑体系的受力情况能够完善目前国内模板支撑体系的设计方法，能够推动整个施工行业的发展。现浇混凝土结构在施工过程当中，混凝土强度和结构的刚度在不断增强，整个支撑体系在上层荷载作用下的应力重分布在不断地发生变化，支撑体系内部的应力如何变化就会影响到整个支撑体系的设计。6目前的脚手架设计规范和模板设计规范在统计支撑架体的荷载时按其受荷面积计算均布荷载，当结构变形发生内力重分布时，荷截会超过规范规定的荷载。在施7工过程当中，
29、结构会因为受载产生变形，支撑架体的基础会产生变形，对于目前设计方法假定认为基础刚性是有差异的，特别是在大跨度结构当中该假定更有些站不住脚。保证建筑施工安全，模板支撑体系的研究显得不仅特别重要，而且紧迫。1.2国内外研究现状1.2.1模板支撑倒塌的原因根据诸多研究总结出模板支撑架倒塌事故的主要原因不外乎两个：一是架体或其杆件、节点实际受到的荷载作用超过了它实际具有的承载能力，特别是稳定承载能力。二是架体受到了不应有的荷载作用（如水平力、冲砸等）或架体发生了不应有的设置与工作状态的变化。要解决这两个问题则应考虑从支撑架所承担的具体实际荷载、支撑架搭设形式以及相应工况的具体承载能力出发，尤其在施工过
30、程中混凝土构件的强度和刚度随着时间而不同，支撑体系能受以也随着时间的不同而不同。方向明确，但实际工作却有很多工作要做。杜荣军在其专著中探8讨了各类模板可能受到的一些常用荷载及各种荷载组合计算问题，给出了工程模板及其支架计算的常用荷载及计算项目的荷载组合，考虑了风载对模板的作用，对水平板模板及其支架的计算也考虑了振捣混凝土荷载。外国学者通过风洞试验检测了脚手架的体型系数和风荷载对架体的震动效应，并通过振动方程求解了风振系数。张传敏等在对钢筋混凝土结构工程施工过程的现场调查和统计分析时发9现施工阶段活荷载中主要为堆积荷载。由于施工过程的复杂和随意性，仍需要进行大量的调查和统计分析才能得出普遍的结论
31、。还有一些学者认为泵送混凝土的泵管、混凝土振捣器以及在倾倒混凝土时都会产生对模板支撑的稳定性有不良影响的水平力，这种水平力可以作为一种初始缺陷或架体顶部附加水平力考虑。由于混凝土的时变特性和施工阶段的过程性，应当对施工阶段模板支撑体系的实际4 1绪论荷载进行全面的调查和分析，针对混凝土结构施工阶段提出相应的荷载设计方法和最不利组合，以此来指导模板支撑体系设计，从设计方面来保证施工阶段模板支撑体系的安全性10。模板支撑架体可靠度研究不足，材料自身存在缺陷也是模板支撑架倒塌的原因。模板支撑架作为一种临时结构存在着大量的不确定因素，施工过程的随机性，荷载统计的模糊性和不完善均对架体的可靠度产生影响。
32、Karshenas对新浇混凝土的结构上的活荷载进行了统计和调查分析11。施工阶段的可靠度与正常使用阶段通过对实际工程的测试和分析进行了的可靠度并不一致，孙作功12和赵挺生等13施工阶段混凝土结构可靠度分析，并为以后的分析打下了坚实的基础。胡长明研究了 5个不同工况的模板支架足尺寸的极限承载力试验也引入模板支架的广义初始缺陷，并用有限元软件建立三维有限元模型较准确的分析了模板支架广义初始缺陷对结构稳定性的影响。通过现场测试进一步表明：对于模板支架，结构的广义初始缺陷对模板支架整体稳定性的影响可以利用架体顶部的等效假想水来力来考虑14，此假想水平力值可取架体承载能力的百分之十。1.2.2模板支撑体
33、系分析模型模板支撑体系分析的关键在于如何建立一个符合工程实际的分析模型，在二十世纪五十年代瑞典人便研究出了支撑体系的精确分析模型，其他国家的研究者在其基础之上发展了更接近实际更方便计算的分析模型。精确分析模型由瑞典的K.E.C.Nielsen于1952年在皇家技术研究院了表的报告中提出的，该模型把支撑系统假设成一个均匀连续的弹性层夹在两层混凝土楼板之间，进行各种边界条件下的弹性分析。混凝土楼板是作为将荷载传递给支撑的弹性板，忽略混凝土的收缩徐变。支撑架体上下端通过铰结点与楼板相连，架体基础绝对刚性，只承受轴力。由于计算复杂，没有太多实际意义。15简化模型在 1963年由 Grundy和 Kab
34、aila基于板柱结构提出的，该模型假定模板支撑为刚性连杆，各层楼板抗弯刚度相等，受力后挠度相等，支撑架连续均匀分布。模型简单，便于手算，而且能获得施工中荷载传递系数和施工过程中的楼板及模板支撑承担的最大施工荷载16。1974年，R.K. Agarwal和 N.J. Gardner对两栋板柱结构施工过程中模板支架内力进行现场测试，利用测试结果对简化分析模型进行了修正17。此后的修正后的简化模型理论在建造过程中被大量应用，也未有新的计算理论提出，直到 1981年美国一栋 5层的板柱结构在施工过程当中发生倒塌，使得对多层模板支撑体系的研究再度成为建筑领域的研究热点。1992年，我国学者李惠明在简化分析模型之上提出了一种基于混凝土时变特性的内力计算方法。1995年 Duan M.Z.和 W.F.Chen认为简化分析模型的支架为应作为弹性杆考虑，并考虑施工活荷载及支架刚度与楼板刚度比对荷载传递的影响对简化分析模5 重庆大学硕士学位论文型进行了修